区间隧道上方池塘开挖恢复方案研究

濮成强 王柳善 王 安

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州 311122）

0 引言

随着城市化推进，越来越多的城市采用以地铁为骨干的公共交通系统。同时，城市用地紧张、环保力度提升、防洪排涝工作加强，地铁工程常面临河道邻近开挖的情形，特别是区间隧道，一般由管片拼装而成，结构稳定性受地层稳定性影响较大，变形控制要求较高。

绍兴、宁波等水乡城市，广泛分布深厚淤泥质软土，具有强度低、压缩性高、触变性高等特点，河道施工对土层的扰动会打破隧道原有的平衡状态，产生新的附加荷载，致使隧道不断发生位移和变形，严重时威胁隧道结构安全。目前，相关研究主要集中在基坑工程，基于理论分析、数值模拟、模型试验、现场监测等方面进行研究，少见深厚淤泥质软土地层的区间隧道上方的河道开挖。本文将依托绍兴地铁2 号线一期工程某池塘开挖工程实例，借助Plaxis3D 软件建立三维有限元模型进行分析，比选不同方案下区间隧道的变形影响。

1 工程概况

绍兴地铁2 号线一期工程长约10.7km，沿洋江路敷设，区间隧道在袍中路交叉口西侧下穿直江，直江东岸浙江汽车仪表公司地块内有一池塘，与直江连通，即为本文研究工程。袍中路站距离池塘仅14m，端头加固和管线迁改场地不足，所以车站开挖前需对池塘进行回填，回填后场坪高程+7m。直江宽92m，河底高程约+2m，池塘形状不规则，最大长、宽均为50m，底高程为+2.5m ～+5.0m，坡度1：20，区间隧道为双线，内径5.9m，外径6.7m，池塘下方顶高程为-5.8m ～-4.8m，与池塘底竖向净距为8.3m ～9.8m，如图1 和图2 所示。由于池塘隶属于浙江汽车仪表公司，后期需开挖恢复，而管线回迁至袍中路站顶板上方的时间较晚，池塘开挖恢复时间晚于区间隧道洞通时间，为此，需对池塘的开挖恢复方案进行重点研究，以降低对区间隧道的影响。

图1 池塘周边环境平面图

图2 区间隧道与池塘剖面关系图

根据《城市轨道交通结构安全保护技术规程》（DB133/T1139-2017）条文3.0.6 和附录A、附录B、附录C[1]，本工程中区间隧道结构安全状况属于IV 类，卸荷比计算值为0.58 ～0.27，大于0.15，保护等级为A 级，池塘开挖时隧道结构安全控制指标值主要为水平位移小于20mm、竖向位移小于20mm。

场地土自上而下依次为①2 素填土、③1-2 淤泥质粉质黏土、④2 粉质黏土，区间隧道主要位于深厚的③1-2淤泥质粉质黏土层，各土层物理力学参数如表1 所示。

表1 土层物理力学参数表

2 直接开挖的影响研究

按照原工筹方案，管线回迁至袍中路站上方后开挖池塘恢复，此时区间隧道已洞通，属于区间隧道上方直接开挖卸载，为此，建立模型分析直接开挖的影响。

2.1 模型建立

数值分析软件能够模拟实际工程中土体、结构的性质以及施工过程，对比优化设计方案，预判施工风险，是解决岩土工程问题的有效手段。本文借助Plaxis3D有限元分析软件，建立三维模型，对池塘开挖施工的影响进行分析，如图3 所示，模型尺寸长×宽×高=300m×300m×50m，侧面边界限制垂向位移，底面边界同时限制水平位移及垂向位移，顶面边界不限制位移。

图3 计算模型图

2.2 本构模型及参数

应变增加土体刚度衰减较快，即小应变特性，HSS 模型考虑小应变特性能更好地评估开挖卸载下的土体变形，为此选用HSS 模型作为土体本构模型[2]。土体参数选取地勘报告建议值，其余参数结合时振兴[3]、陆瑶[4]、刘蓉[5]等建议的方法计算确定，如表2 所示。隧道管片采用板单元模拟，松木桩采用嵌入式梁单元模拟，均采用线弹性模型，结构参数如表3 所示。

表2 地层参数表

表3 结构参数表

2.3 模拟工况

根据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》(CJJ/T202-2013)[6]以及池塘与区间隧道的空间关系，区间隧道正上方为重点影响区域，细分为8 个小区块，旁侧20m范围内为次要影响区域，细分为21 个小区块，20m 以外为非影响区域[7]，如图4 所示。池塘开挖步序如表4 所示。

图4 池塘开挖区块图

表4 池塘开挖步序表

2.4 分析结果

池塘直接开挖后，左线隧道最大竖向位移39.8mm，最大水平位移4mm，右线隧道最大竖向位移14.7mm，最大水平位移7.2mm。部分指标超过控制值20mm，不满足要求，需采取措施控制对区间隧道变形的影响。

3 池塘开挖恢复方案研究

3.1 方案一：提前地基加固

由前述可知，区间隧道与池塘底竖向净距为8.3 ～9.8m，大于1 倍洞径，满足抗浮要求，但卸荷比为0.58 ～0.27，卸荷比较大，为控制池塘开挖对区间隧道变形的影响，提前对隧道上方土体进行加固，待区间隧道洞通、管线回迁至车站上方后，池塘开挖恢复。

土体加固采用Φ850@600 三轴搅拌桩，弱加固区水泥掺量8%，强加固区水泥掺量25%，单轴抗压强度大于1MPa，长度范围为池塘正下方区间隧道段，宽度范围为左线隧道北侧3m 至洋江路2 号桥边，深度范围为地面至底标高-1m 处，其中强加固厚度3m，如图5 所示。

图5 地基加固方案图

经模拟计算，该方案下左线隧道最大竖向位移14.5mm，最大水平位移3.2mm，右线隧道最大竖向位移7mm，最大水平位移4.9mm，均小于控制值20mm，满足要求。

3.2 方案二：管线悬吊保护

由图1 可知，主要有3 根管线位于池塘回填区域，分别是DN100 通信管、DN150 10kV 电力管、DN600 热力管，埋深均为1.5m（所在位置池塘开挖深度2.5m，区间隧道距池塘底9.5m），其中通信管、电力管为柔性管线，热力管为刚性管线。为此，方案二考虑对管线进行悬吊保护，提前开挖恢复池塘后区间盾构下穿，最后回迁管线至车站上方，避免池塘开挖对区间隧道的影响。

悬吊部件由梁体、悬吊与下部结构组成，下部结构采用松木桩，将梁体搭接在松木桩间，管线置于槽钢上，再通过悬吊件将槽钢吊起，实现悬吊保护。刚性管线可采用贝雷梁＋螺杆托架悬吊保护，柔性管线可采用工字钢＋螺杆托架悬吊保护[8]，如图6 所示。

图6 管线悬吊方案示意图

3.3 方案三：分区开挖

由图1 可知，迁改管线仅局部侵入池塘。为此，方案三考虑对池塘进行分区开挖，先行开挖体量较大的西区，待区间隧道洞通、管线回迁至车站上方后再开挖恢复东区，如图7 所示，采用1 排10cm 粗、9m 长的松木桩密打分隔西区和东区，场坪标高+7m，池塘底坡度1：20，西区开挖深度为4.5m ～2.7m，东区开挖深度为2.7m ～2m。

图7 池塘分区开挖方案图

经模拟计算，该方案下左线隧道最大竖向位移11.4mm，最大水平位移1.6mm，右线隧道最大竖向位移4.5mm，最大水平位移2.4mm，均小于控制值20mm，满足要求。

3.4 方案比选

对上述方案的对比分析如表5 所示，考虑到方案一工程造价增加较大，方案二可能影响工程进度，而方案三工程造价变化较小，对区间隧道的影响可控，为此，本工程推荐方案三。截至2022 年11 月底，池塘顺利开挖恢复，区间隧道洞通，且实际位移值与预测值基本一致，验证了方案有效性和数值模型可靠性。

表5 方案比选表

4 结语

本文依托绍兴某池塘开挖工程，建立有限元模型，研究了深厚淤泥质软土地质条件下上方开挖卸载对区间隧道的影响，得出结论如下。

（1）按照原方案，池塘直接开挖时，区间隧道竖向位移超过控制值20mm，不满足规范要求，需采取措施加强对区间隧道的保护。

（2）结合工程特点，提前地基加固、管线悬吊保护、分区开挖等方案均可有效保护区间隧道，其中分区开挖方案三最优。另外，分块开挖、配重反压等措施也有利于控制区间隧道变形。

（3）池塘开挖恢复后，区间隧道实际位移值与预测值基本一致，验证了方案有效性和数值模型可靠性。